專利名稱：一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，更確切地說，本發(fā)明提供一種驅動參數大范圍可調的半導體激光器脈沖驅動電源，可用于一系列需要在苛刻的脈沖驅動條件下工作的特殊半導體激光器以及常規(guī)的脈沖大功率半導體激光器，也可用于中、小功率的激光器。本發(fā)明屬于半導體光電子器件及電子電路技術領域。
背景技術：
自上世紀六十年代半導體激光器發(fā)明以來，其結構已由簡單的同質結發(fā)展到異質結、量子阱、分布反饋以及面發(fā)射等等，但其基本結構均為一雙極型的二極管，這些種類的激光器已實現了商品化并應用于眾多領域。隨著半導體激光器理論及材料生長技術的進步，1994年出現了單極型的量子級聯(lián)激光器，并且在十年中有了長足的發(fā)展。
量子級聯(lián)激光器是具有級聯(lián)結構的單極型二極管激光器，與傳統(tǒng)的pn結型激光器相比具有一系列特點首先，由于其一般具有多達幾十級的級聯(lián)結構，而且每一級的相對效率較低，因此工作時需要較大的驅動電流，一般在數百毫安至數安培量級；其次，其級聯(lián)結構決定了其工作時所需的驅動電壓較高，一般在十伏量級；在此情況下激光器芯區(qū)所承受的功率密度甚高，在連續(xù)波工作時發(fā)熱量將很大，難以耗散。因此，此類器件常需要在脈沖驅動下工作以減小發(fā)熱量，并且所需的脈沖參數如占空比及脈寬等常需要在很大的范圍內可以調節(jié)，這就給其驅動電源帶來了很高的近乎苛刻的要求。例如某一常規(guī)的量子級聯(lián)激光器需要10伏的驅動電壓和2安培的驅動電流，如要求其平均驅動功率為20毫瓦，則其脈沖占空比只能為0.1％，如重復頻率為10KHz，則脈沖寬度只能為100ns，高頻要求已達到百MHz量級，由于激光器工作時的阻抗很低，一般在10歐姆以下，考慮到此時高頻連接的影響，實際要求脈沖輸出電壓可在30伏以上，這樣這個激光器就需要一個50V/2A/100ns的脈沖發(fā)生器來驅動，要求是相當苛刻的。此種脈沖發(fā)生器雖然國際上已有商品，但其價格很高，進口需數萬美元，且體積和功耗也很大，用于驅動實際應用場合下的激光器是不合適的。
近年來隨著半導體激光器的發(fā)展，新型的激光器如II型級聯(lián)激光器、帶間級聯(lián)激光器等也已出現，這些激光器也有和前述相似的驅動要求，脈沖大功率激光器的發(fā)展對其驅動電源也有類似要求。針對這些需要，本發(fā)明旨在提供一種普適的激光器脈沖電源，可以滿足前述激光器的驅動要求且具有一體化、體積小、重量輕、成本低等特點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，包括脈沖重復頻率和脈沖寬度在大范圍內分別獨立可調的脈沖發(fā)生器、脈沖電平轉換器、輸出電流電壓大范圍可調的電流脈沖驅動輸出單元、激光器波長調諧的低頻直流偏置控制單元構成，還包括電流脈沖幅度監(jiān)測輸出端和觸發(fā)電壓脈沖輸出端，低頻或直流偏置輸入端和偏置監(jiān)控輸出端。所述的脈沖發(fā)生器產生的電壓脈沖，經脈沖電平轉換器轉換至具有0-12V電平的脈沖，用于驅動電流脈沖驅動輸出單元，再驅動激光器。激光器波長調諧信號通過低頻直流偏置控制單元輸入電流脈沖驅動輸出單元。本電源除可用于驅動常需要在高電壓大電流短脈沖下工作的半導體量子級聯(lián)激光器外，也適用于其他各類需要脈沖電流驅動的半導體激光器，驅動脈沖電壓幅度可根據需要在約一伏至數十伏范圍內設定，電流可達數安培乃至數十安培以上，驅動脈沖的占空比調節(jié)范圍可超過二個數量級，具有很高的穩(wěn)定度，且可以通過低頻或直流偏置對半導體激光器的激射波長在一定范圍內進行調諧。本電源可用示波器實時測量激光器驅動電流脈沖的波型和幅度，并可由觸發(fā)脈沖觸發(fā)示波器進行外同步穩(wěn)定測量。本電源還具有一體化的特點，可用市電或電池供電，體積、重量、功耗和成本都遠小于常規(guī)的脈沖發(fā)生器，對所驅動的半導體激光器也有良好的保護作用。因此，本發(fā)明的電源是一種普適的半導體激光器脈沖電源，具有很好的通用性。
一、脈沖發(fā)生器部分脈沖發(fā)生器用于產生所需脈沖參數的驅動脈沖，采用數字集成電路構成，具體可使用TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)觸發(fā)器產生重復頻率和脈寬單獨可調的TTL電平的脈沖，采用兩組電阻-電容(RC)作為定時網絡，R為可調電阻，C為固定電容，具體數值可根據脈沖參數的要求選取。脈沖輸出經TTL門電路緩沖后送至電平轉換器。為使其具有較強的驅動能力，可選取具有50Ω驅動能力的TTL門電路。
所述的脈沖發(fā)生器的脈沖重復頻率范圍10KHz-100KHz，脈沖寬度范圍100ns-1μs，且頻率和寬度獨立可調。
二、脈沖電平轉換器及電流脈沖驅動輸出單元由于電流輸出單元需要較高的驅動電平，設置了電平轉換器將TTL電平轉換至0-12V電平，此轉換器由常規(guī)晶體管電路構成，晶體管的最高工作頻率選在數百MHz以上以保證良好的高頻特性。電流脈沖驅動輸出單元采用功率開關器件構成，其電流、電壓、功率及開關參數根據所驅動激光器的要求選取并留有充分裕量。
三、電流脈沖幅度監(jiān)測輸出端和觸發(fā)電壓脈沖輸出端由于在被驅動激光器回路上進行電流脈沖幅度測量較困難，此電源中特別設置了電流脈沖監(jiān)測輸出端和觸發(fā)電壓脈沖輸出端，電流脈沖幅度監(jiān)測采用互感器方式，觸發(fā)電壓脈沖由脈沖發(fā)生器經門電路緩沖后引出，這樣可外接示波器實時測量激光器驅動電流脈沖的波型和幅度，并可由觸發(fā)脈沖對示波器進行觸發(fā)以在外同步模式下進行穩(wěn)定的觀測?；ジ衅鞑捎?0Ω低阻抗輸出以保證良好的高頻特性，其幅度校準至1V/A以方便測量，可直接送至示波器的50Ω輸入端。由于采用了具有較強驅動能力的門電路，利用觸發(fā)電壓脈沖輸出端還可將此電源作為50Ω輸出的TTL脈沖發(fā)生器使用。
由此可見，本發(fā)明所述一體化電源設有電流脈沖監(jiān)控輸出端和觸發(fā)電壓輸出端，電流監(jiān)控輸出端的輸出信號反映激光器驅動電流脈沖的波型和幅度，可用示波器進行實時測量，觸發(fā)電壓輸出端輸出的信號可送至示波器的外觸發(fā)輸入端進行波形同步，以穩(wěn)定地觀察驅動電流脈沖波形使其不受電流幅度地影響。
四、低頻或直流偏置控制輸入端和偏置電流監(jiān)控端偏置控制輸入端采用晶體管跟隨可控電流負載形式構成，晶體管的參數可根據偏置電流的要求選取。此端子的輸入電平可根據需要選取，為方便使用可將此端子的輸入電平設為0-3V，使施加低頻偏置時可直接使用TTL電平，使用中可采用低頻頻率固定，脈寬連續(xù)可調的TTL脈沖發(fā)生器(此脈沖發(fā)生器可采用與前述相同的型式，但RC設定為所需低頻，可同集成于此激光器驅動電源中并另設一開關控制其接入)對激射波長進行連續(xù)調諧，也可采用直流輸入進行調諧，偏置電流監(jiān)控端用于對偏置電流進行測量。
由此可見，本發(fā)明提供的一體化電源中低頻直流控制單元具有低頻直流偏置控制輸入端和偏置監(jiān)控輸出端，在低頻直流偏置控制輸入端上施加低頻或直流電壓信號可用于激光器進行波長調諧，并可在偏置監(jiān)控輸出端上用示波器或電壓表直接測量低頻或直流偏置電流的幅度。
五、直流供電部分
本電源的直流供電采用具有兩路輸出的開關電源，也可經切換接入兩路電池以適合特殊場合的使用要求。一路直流電源為12V，其輸出除直接供給電平轉換器使用外，還經二次穩(wěn)壓為5V后供給TTL電路使用以保證脈沖輸出有很高的穩(wěn)定性。另一路直流電源的電壓電流要根據所驅動激光器的參數選取并留有足夠裕量，此路輸出經一可調穩(wěn)壓電路后成為大范圍可調的直流輸出供給電流脈沖驅動輸出單元使用。由于是在脈沖條件下使用，這一路的輸出要經過充分的高頻和低頻濾波以保證其良好的穩(wěn)定性。所選開關電源具有短路和過電流保護功能，可以起到較好的保護作用。


圖1是本發(fā)明提供的一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源的示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖的實施例進一步說明本發(fā)明的實質性特點和先進性，但絕非限制本發(fā)明，也即本發(fā)明絕非局限于實施例。
實施例量子級聯(lián)激光器大電流短脈沖驅動一體化電源實施步驟1、一量子級聯(lián)激光器要求的脈沖驅動電源參數為考慮到激光器連線阻抗的影響，要求驅動電壓輸出大于32V，驅動電流輸出大于2A，脈沖重復頻率范圍10KHz-100KHz，脈沖寬度范圍100ns-1μs，偏置電流范圍0-100mA。
2、根據此激光器所需的驅動參數，我們選定標稱值為12V0.5A及36V0.5A的兩路輸出開關電源為其供電，由于激光器所需的最大占空比為10％，故36V0.5A的直流電源已可滿足脈沖驅動的要求。
3、根據脈沖參數調節(jié)要求，選取兩只47K的多圈電位器作為頻率和脈寬調節(jié)，已保證足夠的調節(jié)精度。
4、由于驅動脈沖的最小脈寬為100ns，故選取所用晶體管的特征頻率大于500MHz，開關時間在30ns以下。
5、根據驅動電流電壓及脈沖參數要求并留有一定裕量，選取功率開關器件的脈沖工作電流大于6A(單管難以達到時可采取并聯(lián)方式)，耐壓大于50V.開關時間小于20ns。
6、5V二次穩(wěn)壓輸出采用固定三端穩(wěn)壓塊，由于功耗甚小可不需另加散熱器，可調穩(wěn)壓輸出采用可調三端穩(wěn)壓塊，并采用軟起動方式以避免其輸出過沖，輸出電壓也采用多圈電位器進行調節(jié)以保證精度和輸出平滑，并在其輸出端增加了單獨的開關以防誤操作。此路輸出由于功耗較大，添加了合適的散熱器并增加了多路高頻低頻濾波。
7、根據偏置電流范圍決定偏置限流電阻為25Ω/1W，輸出和輸入接口均采用BNC接口已保證其高頻特性。
8、市電輸入端增加指示燈和熔絲，需要用電池驅動時需增加切換開關或采用自動切換方式。
9、相關電子部件安裝于印刷電路板上，并與其他部件一起按裝置示意圖及相關說明可靠安裝至一小型機箱中，檢查無誤后接通AC電源進行調試，符合要求后即可應用。
10、使用此激光器驅動電源時先打開市電電源開關，調節(jié)至選定的脈沖參數，將電流輸出調至最小，打開電流輸出開關，再將輸出電流調節(jié)至所需的數值，必要時使用示波器監(jiān)測輸出電流和偏置電流的波形及幅度，使用完畢將輸出電流調至最小，關閉電流輸出開關，再關閉市電電源開關。
權利要求
1.一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，包括直流開關電源或電池組直流供電，其特征在于(1)所述的一體化電源是由脈沖重復頻率和脈沖寬度分別獨立可調的脈沖發(fā)生器、脈沖電平轉換器、輸出電流電壓可調的電流脈沖驅動輸出單元以及低頻直流電流偏置控制單元組成；(2)所述的脈沖發(fā)生器產生的電壓脈沖，經脈沖電平轉換器轉換至具有0-12V電平的脈沖，用于驅動電流脈沖驅動輸出單元，再驅動激光器；(3)所述的直流供電采用具有兩路輸出的開關電路，其中一路直流電源其輸出直接供給電平轉換器及經二次穩(wěn)壓后供給脈沖發(fā)生器；另一路直流電源可調穩(wěn)壓電路輸出供給電流脈沖驅動輸出單元使用，其電壓電流根據所驅動激光器的參數選定；(4)所述的低頻直流偏置控制單元的波長調諧信號輸入電流脈沖驅動輸出單元。
2.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于所述的脈沖發(fā)生器采用兩組電阻-電容作為定時網絡。
3.按權利要求1或2所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于脈沖發(fā)生器的重復頻率范圍為10KHz-100KHz；脈沖寬度范圍為100ns-1μs；它是使用TTL觸發(fā)器產生重復頻率和脈沖寬度獨立可調的TTL電平的脈沖。
4.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于所述的脈沖發(fā)生器的輸出電平為常規(guī)的晶體管-晶體管邏輯電平，且為具有50Ω負載驅動能力的TTL門電路。
5.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于電平轉換器由常規(guī)晶體管電路構成，晶體管的最高工作頻率選在數百MHz以上具有良好的高頻特性。
6.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于電流脈沖輸出單元采用功率開關器件構成。
7.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于脈沖發(fā)生器經門電路緩沖后引出觸發(fā)電壓輸出的；電流脈沖監(jiān)測輸出是由電流脈沖驅動輸出單元引出的，它采用50Ω低阻抗輸出的互感器方式，外接示波器實時測量激光器驅動電流脈沖的波型和幅度，并由觸發(fā)脈沖對示波器進行觸發(fā)，以在外同步模式下進行穩(wěn)定的觀察。
8.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于所述低頻直流控制單元帶有低頻直流偏置控制輸入端和偏置監(jiān)控輸出端，在低頻直流偏置控制輸入端上施加低頻或直流信號用于激光器進行波長調諧，在偏置監(jiān)控輸出端上用示波器或電壓表直接測量低頻或直流偏置電流的幅度。
9.按權利要求8所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于偏置控制輸入端采用晶體管跟隨可控電流負載形式，晶體管的參數應根據偏置電流的要求；輸入電平設為0-3伏。
10.按權利要求1所述的用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，其特征在于驅動脈沖電壓幅度設定在1伏至數十伏范圍，電流為數安培到數十安培，驅動脈沖的占空比調節(jié)范圍超過2個數量級。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于短脈沖大電流激光器驅動的一體化電源，由脈沖發(fā)生器、脈沖電平轉換器、脈沖驅動輸出單元、低頻直流控制單元以及電流監(jiān)測輸出端和觸發(fā)電壓輸出端、激光器波長調諧的低頻直流偏置輸入端和偏置監(jiān)控輸出端構成。脈沖重復頻率10－100KHz，脈沖寬度范圍100ns－1μs，且分別獨立可調。驅動脈沖電壓幅度可在一伏至數十伏范圍內設定，電流達數安培乃至數十安培，驅動脈沖電流的占空比調節(jié)范圍可超過二個數量級，具有高的穩(wěn)定度，不僅可通過低頻或直流偏置對半導體激光器的激射波長進行調諧，而且可用示波器實時測量激光器驅動電流脈沖的波型和幅度，由觸發(fā)脈沖進行同步。是一種普適的半導體激光器脈沖電源，通用性強。
文檔編號G05F1/10GK1734912SQ20051002780
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權日2005年7月15日
發(fā)明者張永剛, 李愛珍 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所